大型钢结构预埋件施工技术研究
赵延凯 寇旭东 李洪振 冯俊涛 宋士建
(山东新中鲁建设集团有限公司， 济南 250000)
摘 要：通过对地质大学(北京)综合游泳馆工程中屋面钢结构支座分布及埋板参数的分析，得知标高变化的柱头支座埋板施工难度极大。分析传统改进施工方法仍然存在埋板与一次柱头混凝土之间留有间隙、预留的多个投料排气孔影响埋板传力性能的工艺缺陷。针对传统改进施工方法的不足，提出一种新的网架支座埋板施工方法，该法通过压差灌注灌浆料的方式，保证埋板与先浇筑混凝土柱之间无空隙，同时减少埋板开孔数量，因埋板开孔造成的应力集中问题。通过本工程对新方法的实践，柱头支座埋板与一次浇筑混凝土之间浆体饱满、密实，无缝隙，埋板放置平整，位置准确；优化了作业工序，减少了高空作业，降低了作业难度，可供同类工程借鉴。
关键词：支座； 埋板； 投料排气孔； 缝隙； 荷载有效传递
1 工程概况
地质大学(北京)综合游泳馆工程包括篮球馆、游泳馆、羽毛球馆三个主场馆，是一所综合性的体育场馆；该工程地下1层，地上3层，建筑面积16 952 m2，为地质大学的标志性建筑。该工程建筑造型奇特，主体结构形式为现浇钢筋混凝土框架结构；篮球馆屋顶为螺栓球网架结构，羽毛球馆屋顶为大跨度钢梁结构，如图1所示。
图1 综合游泳馆
篮球馆屋面网架南北向跨度为47.6 m，东西向跨度为60 m，处标高为23.800 m, 处标高为18.650 m，网架矢高2.60 m。网架投影面积为2 932 m2，支撑在周边的29个混凝土柱上，混凝土柱顶标高复杂多变，网架支座为弹性支座，网架结构总质量约90 t，网架通过支座预埋件与混凝土结构连接。
羽毛球馆屋面南、北主梁跨度为33.8 m，东、西方向次梁累计跨度为60 m。整个钢架总质量约95 t，通过埋件与混凝土结构连接。
工程2008年12月开工，2011年5月竣工，工程质量优良，被评为北京市结构“长城杯”。
2 场馆钢结构预埋件主要参数
本工程网架支座通过预埋与混凝土柱端有效连接，支座样式如图2所示。整个网架结构质量较大，对支座要求高，安放支座的预埋件必须安装平整、位置准确且传力可靠。
图2 网架支座节点
表1 网架支座埋件参数
预埋板数量/件预埋板尺寸/mm预埋螺栓型号单埋件质量/kg29450×450M2431.79
3 预埋件施工现场条件及施工难点分析
本工程为学校内施工，可供施工场地狭小，垂直作业面要求高。篮球馆网架支座数量多,支座分布在柱网边缘，支座位置如图3所示。因工程屋面造型需要，柱顶标高呈曲线变化，如图4。
图3 场馆支座位置
图4 支座点柱顶标高
埋件施工时，由于工作量零星需要多次进行高空移换作业位置，作业危险性高。因此，施工上必须考虑优化整合工序。
预埋件钢板预埋位置必须准确，由于塔吊吊装不能实现且单件埋件钢板质量较大，因此必须多人高空作业，不断校核、调整预埋板位置[1]，施工难度极大。
4 传统施工方法的局限性及原因分析
常见的改进柱顶埋件施工方法为：将预埋在混凝土柱头部位的螺栓先与支座预埋板焊接成一个整体，在预埋板上留设高强灌浆料投料孔。柱头混凝土浇筑时，将支座预埋件地脚螺栓连同已经焊接好的埋板，一并安放在柱头位置。混凝土浇筑前行支座预埋件固定，在柱头预埋件下方侧面留设混凝土投料口，另一侧面留设振捣棒振捣口，混凝土浇筑过程中不断校核调整预埋件位置，保证位置准确(进行二次高强灌浆料施工前将混凝土投料口及振捣棒振捣口围封)。柱头混凝土浇筑完毕后，地脚螺栓会与混凝土形成一个整体[2]，埋板与混凝土柱顶间存在无法密实的空隙通过预留在支座埋板上的灌浆料投料孔投入，以达到空隙的目的[1-3]，如图5、图6所示。
1-柱头通过灌浆处理后，埋件钢板与柱头存在不密实间隙；2-混凝土浇筑完成该口封闭；3-预留混凝土投料口；4-投料口以下的混凝土；5-灌浆料；6-柱子模板。
图5 传统工艺示意
1-振捣棒插入口侧；2-埋件上预留灌浆料排气投料孔；3-混凝土投料口侧。
图6 埋板预留灌浆孔示意
改进传统方法的局限性：传统施工方法改进后，减少了工序，缩短了工人高空作业时间，但在通过支座埋件上开的排气投料孔进行二次灌浆时，孔洞周边仍存在未密实的间隙。因为通过预留在埋板平面的投料排气孔填充高强度灌浆料时，仅依靠灌浆料的流动性实施，会因无压力使埋板与二次灌浆料浇筑面之间存在缝隙，见图5。
因为支座埋板的作用是将网架的荷载通过支座、埋件传递到支座所在的混凝土柱头上。荷载传递过程中，埋件钢板会在网架自重荷载的作用下发生变形。其应力计算式为：
σ=ΔF/ΔA
(1)
式中：ΔF为所施加的力；ΔA为受力面积。当ΔA减少时，网架分配到支座上的重力荷载不变的情况下，σ应力变大。 故这种开孔后用灌浆料二次浇筑的方法，投料排气孔越多预埋板产生的变形越大。严重时可能形成应力集中现象，导致柱头混凝土产生破坏，支座起不到设计的预期作用。
5 一种新方法的实践
本工程在网架支座预埋板传统施工方法的基础上提出了一种新的施工方法：柱头混凝土次浇筑完成后，在埋板下方一定距离(该距离可根据一次混凝土浇筑高度和地脚螺栓的预埋长度等因素确定，本工程为埋板下50 cm)处支设将埋板包围的柱头模板；新支设的柱头模板须将预埋板及埋板与一次浇筑混凝土之间所存空隙的部位围蔽。模板与柱头设计尺寸间留设一定空隙(本工程留设20 cm)，且模板高度要高于埋板一定距离(本工程高于埋板10 cm)，以便在灌注浆料时形成压差产生压力，通过灌浆料超灌部分产生的压力将埋板底部填充密实，如图7所示。
1-灌浆料投料口；2-溢浆管；3-灌浆口外扩模板；4-投料口以下的混凝土；5-柱模板。
图7 新工艺示意
在预埋板上，取消高强度灌浆料投料孔，仅设置一个灌浆溢流孔，将小于孔口直径的PVC管插入孔内并固定密封(这样可以限度保证网架支座预埋板有效传递荷载面积不被减少，埋板不会产生破坏性应变，使网架分配到支座上的荷载能有效传递到结构柱上)。在进行柱头埋件二次灌浆料填充时，将浆料沿着埋板与模板之间的预留空隙灌入。高强注浆要求灌浆料高于埋板标高，这样就可以通过预留在埋板上的灌浆溢流管观察。如果灌浆溢流管内的浆体已经高于预埋板高度(本工程高差控制在10 cm)，说明预埋板底部缝隙已经填充密实；如果溢流管内无高于埋板高度的浆体，说明埋板下方仍存空隙，这时要加大灌浆高度，通过内、外压差产生的压力将埋板下空气排走，使缝隙填充密实，如图8所示。
1-该孔内插入软管，观察溢浆。
图8 溢浆观察孔示意
待灌浆料初凝后，将高于埋板高度的浆体清理干净，注意严禁使埋板和柱头部位产生振动。
6 结束语
建筑以越来越多样化的形式不断呈现，由于钢结构的大量应用，使建筑艺术冲破了传统钢筋混凝土工程的束缚，使大空间、大跨度的功能要求与外部造型要求实现融合，但网架结构支座预埋件施工的问题不可避免。尽管改进传统施工方法，能够减少工序，但埋板下部的缝隙仍可能存在，极易给工程质量留下隐患。
本工程所采用的网架支座新型施工技术，通过围蔽柱头、埋板并周圈预留投料口，灌浆料超高灌入，溢浆管求证密实的方法施工，确保了支座埋板下方灌浆料填充密实。埋板上支设一个溢浆孔，保证了埋板传递荷载的有效面积，限度地避免了应力集中。可供类似工程参考。
